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【微合金专访】王智文:行业应加强对新能源汽车轻量化与EMC问题的关注

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-22  来源:中国汽车材料网  作者:汽车材料网   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
底盘 轻量化 新材料
核心提示:前言: 《微合金化技术》杂志(中国中信集团主管、中信微合金化技术中心主办)开展了汽车行业资深专家专访专题活动,本专题活动与
      前言:
     
《微合金化技术》杂志(中国中信集团主管、中信微合金化技术中心主办)开展了汽车行业资深专家专访专题活动,本专题活动与中国汽车材料网联合实施,探讨中国汽车行业发展、轻量化、新材料开发及应用等主题,力争促进我国汽车行业技术进步和促进中国制造2025。

      本期邀请北汽集团新技术研究院党委委员轻量化技术部部长王智文(原中国汽车工程学会轻量化部部长、汽车轻量化技术创新战略联盟副秘书长),与行业同仁就新能源汽车的轻量化和EMC等热点问题进行深入的探讨。
 

 
新材料、轻量化是发展新能源汽车的关键
 
      随着全球环境和能源形势日益严峻,绿色环保和节能减排逐渐成为发展主题。在此形势下,人们对汽车的节能、环保问题的关注度同样日益增加。北汽集团作为中国五大汽车集团之一,在成功打造出整车制造、零部件发展、自主研发、服务贸易以及改革调整等发展平台之余,还致力于打造新型的节能环保汽车。
 
      为了应对目前严峻的环境和能源形势,汽车行业应该朝着怎样的目标发展?北汽集团新技术研究院轻量化技术部部长王智文向我们介绍到:“目前应对严峻的环境和能源形势,主要有三种解决手段,一是发展新能源汽车,二是提高发动机效率,三就是汽车轻量化。”其中,新能源汽车就是主要的发展方向。它既能够有效地应对能源与环境的挑战,推动汽车产业的可持续发展;同时也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措。
 
      近年来,在政策导向和高额补贴的影响之下,国内车企纷纷投身到新能源汽车制造产业中来,从而使得我国的新能源汽车发展迅猛,新能源汽车也逐渐受到消费者的青睐。但仍然存在着诸多要破局的问题,比如续航里程、充电配套以及购车成本等。
 
      尤其是续航里程问题,不仅是消费者望而却步的重要原因,更是不少车企研发团队的攻克方向。王智文部长也清楚的向我们解释到,续航里程问题主要是受限于电池技术,它与液体燃油的差距巨大,在相同续航里程要求下,新能源汽车的动力系统(含电池)相对于传统燃油车要大幅增重。因此,为达到满意的续航里程,轻量化需求比传统的燃油车更为迫切。
 
      汽车轻量化是指在成本控制与性能改进条件下,通过结构设计、材料和制造技术在整车产品上的集成应用而实现汽车整备质量的降低。轻量化是节能减排、增加汽车续航里程的重要途径之一。而新能源汽车对于汽车的安全、节能等性能的要求较高,对汽车新材料与轻量化的应用也提出了更大挑战。
 

 
 
      那么新能源对新材料、轻量化方面的需求到底有哪些?

      王智文表示,目前的轻量化手段主要有三种,一是通过先进仿真手段进行轻量化设计,二是应用先进的轻量化材料,三是采用先进的轻量化制造工艺。其中设计是龙头,制造是纽带,材料的创新则是基础和核心。
 
       因此轻量化材料的应用是目前最有效、最重要的轻量化手段,提升材料性能对减重尤为重要。目前主流的轻量化材料主要有高强钢、铝镁等轻质合金,长纤增强工程塑料等非金属材料,以及碳纤维等先进复合材料。
 
      虽然众多汽车厂商多年来也一直在进行“以铝代钢”、“以塑代钢”的材料研发,但是与国外品牌相比仍存在较大差距。

      鉴于新能源汽车对新材料与轻量化发展的要求带来的发展机遇,王智文提出了自己的观点,他认为:制定全产业链进一步的协调措施,推动高强度钢、轻量化铝镁材料以及碳纤维复合材料等在新能源汽车上的系统性应用,有效地解决新能源汽车轻量化与安全、成本与制造、续航能力与推广应用之间的矛盾,这会是我们追赶发达国家汽车工业的重要机遇。
 
北汽集团轻量化发展规划及新材料侧重点
 
      “目前,北汽集团在轻量化设计、材料、制造工艺等领域开展了一系列的研究和应用工作,并取得了一些进展,在部分新材料、新工艺应用上有所尝试,下一步将逐步形成较为完整的轻量化体系。”谈起目前北汽在轻量化或者新能源汽车的轻量化方面有什么样的规划时,王智文这样说道。
 
      在2015年5月,国务院发布了”中国制造2025“,提出汽车产业在2025年在新能源汽车、节能汽车以及智能网联汽车的发展目标和重点方向。明确节能汽车的目标是到2020年,乘用车实现油耗5L/100km,2015年达到4 L/100km左右。
 


 
      同时期,北汽集团成立了轻量化领导小组和工作小组,制定集团轻量化发展总体规划,提出了总体发展目标。即以满足国家汽车节能、安全、环保要求为目标,开展汽车先进轻量化应用技术研究,攻克和掌握轻量化核心关键技术,提升北汽集团汽车产品轻量化应用水平,全面推动北汽集团成为具有国际竞争力的汽车制造商和服务提供商。
 
      同时还确定了近期的发展目标,到2020年,北汽集团乘用车换代车型平均整备质量降低10%以上;新开发车型轻量化达到国际同类车型先进水平;并且大量使用高强度钢、铝镁合金以及非金属材料等轻量化材料,熟练掌握先进的轻量化设计和成形技术,探索碳纤维车身的开发和产业化应用;建设完成北汽集团轻量化产品及材料数据库,形成一批具备轻量化设计和开发能力的创新团队。
 
      在具体的技术应用规划方面,王智文介绍说:“北汽集团在拓扑优化与多目标优化、轻量化材料技术、轻量化制造技术、轻量化水平评价等方面开展工作,从车身系统、底盘系统、动力系统等汽车主要系统方面着手。
 
      综合考虑成本控制、制造体系等方面,根据不同车型采用不同的技术策略。比如,针对紧凑车型,采用了多零部件精益化改进形势,进行集成化模块化设计,使用低成本轻质材料,局部采用热成形钢等技术进行加强与提升;针对中级车型,则是以高强钢为主,在成本控制的前提下辅以铝合金、镁合金等轻质的材料,达到成本与性能的平衡;针对高端车及近期推出的超级跑车,采用不同的策略,综合应用各种先进轻量化的材料。“
 
跨部门分工协助推动集团轻量化目标落地
 
      就目前来看,北汽集团与国外领先同行相比,轻量化的工作开展还有待深入,王智文表示将在成本控制、供应商选择以及工艺优化等方面开展进一步的工作。同时集团还需要加强整合资源,明确分工,完善协调机制,提高整车企业、零部件公司以及研究院之间的协作效率,发挥集团化协同优势,有序地推动轻量化工作的实施。
 
      而主要承担汽车轻量化关键共性技术研究开发的新技术研究院,主要负责的就是对于新材料、新工艺以及轻量化共性基础数据平台建设等方面研究和储备。
 
      其中新材料方面的侧重点会放在有一定产业化前景的行业领先的共性技术的研发和储备,比如碳纤维复合材料汽车行业应用的结构优化技术、量产技术的开发,铝合金、镁合金新型工艺技术的研究等,并且不局限于特定的车型,通过研发过程逐步积累并建立共性技术数据库,为将来对接整车研究院进行工程化开发提供技术支撑和服务。
 
铌微合金技术为北汽高强钢应用奠定基础
 
      谈起汽车轻量化以及性能的提升,铌微合金化技术是不得不提的。铌合金能够显著提升钢材晶粒细化,提升组织的均匀性,对于弯曲性能、扩张性能、抗疲劳性能以及抗氢延迟断裂等均有贡献。
 
      武钢采用铌微合金化的热成形钢率先在北汽车身构件上应用,主要是为了提高热冲压成形的碰撞安全性以及防止耐氢致延迟断裂。关于热成形钢的弯曲角及耐氢致延迟断裂性能的内控标准和要求,王智文表示,这两个检测项目均属于钢种开发阶段管控指标,还不是高强度钢零部件的常规检测项。氢脆延迟断裂为钢厂控制项,北汽仅对其试验结果进行核查。零部件及弯曲角试验行业尚无统一标准,因此尚未开展该项检测。
 
      王智文部长也呼吁行业能尽快制定此类检测验收标准的,同时也肯定中信金属在延迟锻炼和抗冷弯方面为行业做出的贡献。
 
      另外,就目前北汽对热成形钢的应用有哪些规划问题,王智文给了这样的介绍:“热成形钢应用方面,国际典型车身用量逐年增加,新车型热成形钢平均用量在15%以上(占比车身重量)。
 
      国内新车型热成形钢用量也在逐步增加,但目前主流车身轻量化车型的平均热成钢占比(白车身)仅为5%。在此方面,北汽绅宝x55以及将上市的新车型热成形钢用量占比(白车身)均超过10%,已经达到行业先进的水平;部分新车型热成形钢的占比(白车身)超过15%,达到行业领先水平。”
 
      王智文同时还表示,未来北汽新车型的热成形钢用量将会进一步的增加,并进一步深入开展热成形钢零件设计与热成形材料的研究工作。比如热成形门环集成设计,不等厚轧制热成形B柱,热成形分段软区设计,短流程热成形等。
 
新能源汽车电磁兼容(EMC)的现状、标准以及未来发展趋势
 
      电磁兼容(EMC)是对电子产品在电磁场方面干扰大小(EMI)和抗干扰能力(EMS)的综合评定,是产品质量最重要的指标之一。与传统汽车相比,电动汽车电磁环境复杂的多,车内电子电气部件占据极大比重,电磁兼容性问题与整车安全密切相关,出现EMC问题的几率越来越大。
 
      王智文就新能源汽车EMC现状、新能源汽车EMC相关标准以及新能源汽车EMC发展趋势三个方面进行了详细的介绍。
 
      (1)新能源汽车EMC现状
 
        近日,双积分政策正式发布,新能源汽车产业发展已进一步明确,新能源汽车成为国家的重要发展战略,其电磁兼容性(EMC)也受到了广泛关注。
 
      就此问题,王智文认为,电磁兼容是新能源汽车研发过程中必然会碰到的一个技术难题,对整车制造商提出了一定的挑战。相对于传统汽车,采用高电压大功率的汽车电子部件,如电机控制器、直流/直流转换器、高压动力电池、驱动电机,同时电动汽车较传统汽车采用了更多的控制、监控、显示和无线电等各种电子设备。
 
      高压电力电子开关器件非常容易通过传导、耦合或辐射产生电磁干扰,而车上密集装备的电子设备还容易受到来自整车及外部的干扰。另外,电动汽车基于节能的考虑往往采用一些轻量化的非金属材料,而这些材料的屏蔽性能却较差,因此电动汽车较传统汽车电磁骚扰频带更宽,易受干扰的部件更多,电动汽车电磁兼容的开发设计难度更高。
 
      新能源汽车上大量采用高压和低压的电力电子器件,在运行中都有可能由EMC引起错误。如果电磁兼容性能不能满足要求,将会导致器件间断性失灵或者永久性损坏,这些关键零件的失灵或者损坏轻则引起部件不能正常工作,重则会导致整车重大安全事故。
 
      近几年陆续发生了一些汽车安全事故,如某款轿车在通过收费站时安全气囊突然引爆; 某款轿车的DVD、导航仪和倒车雷达的集成装置经常出现死机等问题,这类事故的潜在原因可能都与电磁干扰有关。
 
     此外,验证整车电磁兼容是否达标的一个重要工具是电波暗室。对于汽车等大尺寸设备和装置的EMC测试,需要有大尺寸的电波暗室,还要求有精准的测试天线、高速的测试数据处理系统、完善的自动化分析软件做配套。因此测试费用非常昂贵,一旦整车电磁兼容出现问题,改制以及测试验证的成本非常高,周期也非常长。
 
     (2)新能源汽车EMC相关标准
 
      EMC包含两大项:EMI(干扰)和 EMS(敏感度,抗扰度)。EMI测试项包括:RE(辐射,发射),CE(传导干扰),Harmonic(谐波),Flicker (闪烁);EMS测试项包括:ESD(静电),EFT(瞬态脉冲干扰),DIP(电压跌落),CS(传导抗干扰),RS(辐射抗干扰),Surge(浪涌,雷击),PMS(工频磁场抗扰度)。主要标准有:
 
国际电工委员会IEC和CISPR系列标准:IEC 61000-4-2,IEC 61000-4-3,CISPR 11,CISPR 12,CISPR 14,CISPR 15,CISPR 22,CISPR 25等。
国际标准化组织ISO系列标准:ISO7637,ISO10605,ISO11451,ISO11452等。
 
国内相关EMC标准:GB 14023,GB 18655,GB/T 18387,GB/T 19951,GB/T 17619,GB/T 21437, GB/T 17626.2,GB/T 17626.3等。
 
欧洲地区机动车EMC指令法规和北美SAE系列标准:ECER10,97/24/EC,72/245/EEC(2004/104/EC),EN 55011,EN55012,EN55014,EN55015,EN55022,EN55025,SAEJ551,SAEJ1113等。
 
汽车制造商的企业EMC标准:例如福特的ES-XW7T-1A278-AC,通用的GMW3172、GMW097,大众的VWTL 80101、VW TL 82066,标致的PSA B217090、PSAB217110,本田的Honda 3982Z-SDA-0030,现代的Hyundai ES39110-00、Hyundai ES 96100-01等。
 
      (3)新能源汽车EMC发展趋势
 
      对于新能源汽车EMC的发展,车联网的引入提出了新的要求。随着卫星通信费用的降低,公众移动通信技术的成熟,还有WIFI 和蓝牙等技术的广泛应用,这些通信手段为车联网的大范围实现提供了多种数据通信平台。
 
      在公众移动通信中4G 技术已经普及,5G 技术已经制定了国际统一标准。但以上通信手段都是依靠无线信号的传输,因此车辆的电磁兼容性显得格外重要,一旦通信频率受到电磁干扰,必然导致数据传输误码率增加甚至通信阻断。车联网下的汽车不仅使用到公众移动通信技术,也会大范围应用蓝牙和WIFI 技术。
 
      但是蓝牙和WIFI 所使用的信道是有限的,这就需要合理的分配信道,满足车辆内部诸多电子通信模块的需求。解决车内电子设备电磁兼容问题的同时,也需要注意道路环境中外来电磁干扰,给车辆提供安全的驾驶环境。
 
      此外,基于整车建模仿真EMC研究的模型精确性和算法效率,EMC专家系统在实际应用,针对新能源汽车整车和零部件的标准研究、制定、修订,以及EMC测试和整改技术也是新能源汽车EMC的重要发展方向。
 
      在现代电子设备设计中,EMC与EMI问题已越来越引起人们重视。王智文认为,解决这些的问题的关键元件之一就是电感器件。对EMI器件中使用的电感器设计,人们在磁芯材料选用上曾做过很多探讨。
 
      选用价格低的硅钢和铁粉芯,其频率特性不佳,易发热,影响开关管工作;使用常规高性能铁氧体材料,其饱和磁感应强度和居里点低,需要增大磁芯尺寸与加大气隙;选用坡莫合金铁芯,成本则较高,而且大电流条件下使用时的性价比更高,因为这种电感器的工作频带在kHz级。纳米晶材料正适合用于此频带。
 
      纳米晶软磁材料的薄带厚度和电阻率决定其最佳应用频率范围在kHz频带,这正好与目前的新能源汽车中电力电子变换器的频带相同,具有广阔的应用前景。电力电子变换器中使用的磁性器件较多,如功率变压器、电流互感器、共模电感、扼流圈、滤波电感可饱和电感尖峰信号抑制器和抗噪声干扰器等。
 
编后:
      随着汽车排放法规及新能源汽车的市场需求,行业对于轻量化技术的需求也日益迫切逐渐提高。在控制成本以及改进性能的前提之下,对通过结构设计、材料、制造技术等多个技术路径来实现汽车产品的重量降低,成为行业的主旋律。新能源汽车的未来增长趋势日益明朗,轻量化技术的应用成为提高新能源汽车产品竞争力的有效途径。智能化、电动化带来新能源汽车的EMC问题,行业也应该引起更多的关注,加强相关领域的开发与测试标准的建设。
 
连接技术 新能源
 
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